IGBT失效 都是變壓器結(jié)電容惹的禍

隨著人們對(duì)電源及電子設(shè)備的功能要求越來(lái)越高，為各種設(shè)備提供電源時(shí)需要進(jìn)行的改動(dòng)就越來(lái)越多。IGBT就是其中一種，然而在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多朋友經(jīng)常會(huì)遇到IGBT莫名其妙失效的情況，為設(shè)計(jì)造成了不便。本文就將針對(duì)其中的一種情況，也就是變壓器結(jié)電容相對(duì)于電壓變化率過(guò)大，而導(dǎo)致的耦合電流干擾，最終使IGBT失效的情況進(jìn)行分析，并幫助大家理清其中的原理。

IGBT的集電極電壓變化率，取決于與門(mén)極間等效電容在驅(qū)動(dòng)電流作用下對(duì)應(yīng)的電壓變化率。當(dāng)IGBT門(mén)極電壓變化到門(mén)極電流與工作電流相當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，門(mén)極電壓將不再變化。驅(qū)動(dòng)器輸出的電流將對(duì)門(mén)極和集電極之間的等效電容充放電，實(shí)現(xiàn)門(mén)極電位的變化。因此這個(gè)電位變化過(guò)程本身是對(duì)應(yīng)于該條件下對(duì)電容的恒流充電過(guò)程，其開(kāi)始和結(jié)束都是近似于階躍性質(zhì)的。因此，總體上該干擾電流的函數(shù)具有門(mén)函數(shù)的特征。

對(duì)于該干擾電流對(duì)電路系統(tǒng)影響的分析。應(yīng)該采用類(lèi)似小波變換的各類(lèi)分析工具，從瞬時(shí)頻譜分析的角度去識(shí)別那些攜帶能量較多的瞬時(shí)頻率分量的特征。而不應(yīng)該是采用基于傅氏變換的全時(shí)域分析。原因是這一類(lèi)全時(shí)域分析的結(jié)果實(shí)質(zhì)上是在瞬時(shí)頻域分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在時(shí)間上求平均的結(jié)果。

這將導(dǎo)致信號(hào)實(shí)時(shí)特征的畸變和丟失。不能真實(shí)地反映問(wèn)題。不管采用何種瞬時(shí)頻率分析方法都將與宏觀上的電流函數(shù)特征相接近。那就是主要的瞬時(shí)頻率成分存在于門(mén)函數(shù)周期對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)以上，且較為接近。同時(shí)由于上升下降沿的存在。在相對(duì)較高的頻段也含有相當(dāng)一部分分量。這就使該干擾電流的主要瞬時(shí)頻率分量集中在低頻和高頻兩大部分。

其中，低頻部分的頻率大致是對(duì)應(yīng)IGBT上升下降時(shí)間所決定的電流持續(xù)時(shí)間。在數(shù)百納秒至數(shù)微秒量級(jí)，大致對(duì)應(yīng)1至10兆赫茲這一區(qū)間。而高頻部分則是來(lái)自門(mén)函數(shù)的上升下降沿速率決定的頻率。但這主要取決于耦合通路自身的頻率特性。應(yīng)該是明顯高于低頻部分的。進(jìn)一步考慮到實(shí)際中雜散參量對(duì)該電流的低通能力。實(shí)際中的高頻分量應(yīng)該處于數(shù)百兆赫茲的水平。

而1至10兆赫茲又是一個(gè)比較敏感的頻段。它是pcblayout中共點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的混疊區(qū)間。這意味著地線系統(tǒng)中感抗成分達(dá)到甚至超越阻抗成分成為主要因素。電流的分布路徑變得更加復(fù)雜且相對(duì)比較集中。由于該頻段下線路的感抗特征和阻抗特征都比較明顯，但還沒(méi)有高至雜散電容發(fā)揮作用，因此表現(xiàn)出的線路電抗值是比較大的。在相互連接的兩點(diǎn)之間具備形成較大電壓的條件。這部分的干擾電流雖然占據(jù)主體，能量很大。但是頻段相對(duì)較低，主要的影響還是集中在信號(hào)收發(fā)端之間形成的地電勢(shì)差上。這將導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)電平判定閾值裕度的損失。使發(fā)生邏輯錯(cuò)誤的概率提高。

數(shù)百兆赫茲的高頻分量將表現(xiàn)出明顯的高頻電流特征。并且應(yīng)該是高于或接近多數(shù)主控芯片的工作頻率。大家知道，高頻數(shù)字電路中去耦電容的諧振頻率應(yīng)該是以電路最高工作頻率作為最佳點(diǎn)。而如果干擾電流的頻率高于電路最高工作頻率則很可能使去耦電容表現(xiàn)為感性。結(jié)果是在電流對(duì)電路整體補(bǔ)充電荷以達(dá)成電荷平衡(形成等勢(shì)體)的過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致電源電壓的較大波動(dòng)(尤其是電路接地處理不良的時(shí)候)。從該電流的功率級(jí)別來(lái)講，由于是來(lái)自IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。因此具有電流源性質(zhì)。其能量足以引發(fā)電源完整性問(wèn)題。比如CMOS器件最危險(xiǎn)的閂鎖問(wèn)題。其危害之大是可想而知的。

通過(guò)以上的內(nèi)容可以看到，變壓器結(jié)電容相對(duì)于電壓變化率過(guò)大，確實(shí)會(huì)為IGBT帶來(lái)較大的影響，尤其是對(duì)共地的電路系統(tǒng)的影響尤其大。在選擇IGBT驅(qū)動(dòng)器的時(shí)候，需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況充分考慮該因素。對(duì)于控制電路復(fù)雜的系統(tǒng)要尤為注意。需要說(shuō)明的是。比較不同驅(qū)動(dòng)器在這一方面的差異時(shí)，不能僅注意結(jié)電容的數(shù)值。需要格外關(guān)注其變壓器結(jié)構(gòu)上的差異。當(dāng)然對(duì)于成熟的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。相信不同級(jí)別的驅(qū)動(dòng)器必然有不同級(jí)別的隔離能力。只要不出現(xiàn)小馬拉大車(chē)的情況即可。但是對(duì)于自制的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品就很有必要比較與同類(lèi)成熟產(chǎn)品之間在變壓器結(jié)構(gòu)上的差異。比如繞組的間距，繞組投影面積，繞組結(jié)構(gòu)等因素。以便實(shí)現(xiàn)比較可靠的自我評(píng)估。切不可僅僅以實(shí)測(cè)的電容值作為唯一比較參數(shù)。

本文對(duì)電子電路設(shè)計(jì)過(guò)程中IGBT失效分析情況進(jìn)行了講解，并通過(guò)不同的方面來(lái)對(duì)其中的原理進(jìn)行分析，幫助大家理解其中的知識(shí)點(diǎn)，希望大家在閱讀過(guò)本文之后能夠有所收獲。